新聞動(dòng)態(tài)劉亮、徐義剛等-SA：成分巖石圈在地幔柱作用下的物質(zhì)再分布塑造規(guī)模迥異的洋底隆起
?長(zhǎng)期以來，熱點(diǎn)隆起（Hotspot Swell）的形成被認(rèn)為與地幔柱活動(dòng)密切相關(guān)，但對(duì)于那些分布范圍更廣、高度更低的“超級(jí)隆起”（Superswell）的成因（圖1），學(xué)界始終未能達(dá)成共識(shí)。近日，一項(xiàng)發(fā)表在Science Advances的研究，對(duì)兩類洋底隆起的成因提出了新見解，為理解地幔柱的深部動(dòng)力學(xué)演化過程與淺表響應(yīng)提供了新思路。
圖1. “典型”熱點(diǎn)隆起（夏威夷，a-c）與“超級(jí)隆起”（東南太平洋，d-f）
?該項(xiàng)研究由中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所徐義剛院士團(tuán)隊(duì)、西班牙ICM-CSIC?Jason P. Morgan教授團(tuán)隊(duì)、及美國哈佛大學(xué)的W. Jason Morgan教授（已故）共同完成。研究團(tuán)隊(duì)通過綜合分析天然觀測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果，嘗試解讀了洋底隆起的寬度隨大洋年齡的增長(zhǎng)而降低、而高度則相應(yīng)增高的趨勢(shì)。
圖2. 洋底熱點(diǎn)隆起規(guī)模與大洋年齡的關(guān)系
?為了總結(jié)洋底熱點(diǎn)隆起的特征，研究團(tuán)隊(duì)參考已有的洋底熱點(diǎn)目錄，統(tǒng)計(jì)了其寬度和平均高度（移除洋底冷卻沉降效應(yīng)之后）（圖2）。通過分析發(fā)現(xiàn)，位于>50 Ma洋底的熱點(diǎn)隆起傾向于呈現(xiàn)狹窄且高聳的形態(tài)，而位于<20 Ma洋底的熱點(diǎn)隆起則主要表現(xiàn)為寬闊且低矮的形態(tài)。此外，在靠近洋中脊的區(qū)域，熱點(diǎn)隆起會(huì)沿著與中脊平行的方向延伸，導(dǎo)致長(zhǎng)軸上的高度/寬度小于短軸。這些觀測(cè)結(jié)果表明，普通的熱點(diǎn)隆起與更寬闊的超級(jí)隆起分別傾向于在古老和年輕的大洋板塊上發(fā)育。
?為了深入探究這一規(guī)律背后的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了可壓縮型數(shù)值模型，模擬了地幔柱與不同年齡大洋巖石圈之間的相互作用（圖3）。模擬結(jié)果成功再現(xiàn)了熱點(diǎn)隆起規(guī)模的演化趨勢(shì)（圖4）。結(jié)果顯示，無論是普通熱點(diǎn)隆起還是超級(jí)隆起，都可能源于地幔柱與大洋巖石圈的相互作用（圖3）。研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，年輕大洋板塊之下存在著由洋中脊熔融抽取形成的、粘滯殘余“成分巖石圈”（Compositional Lithosphere）。當(dāng)大洋年齡較小時(shí)，這種成分巖石圈的厚度會(huì)顯著大于“熱巖石圈”（Thermal Lithosphere），并且比后者具有更小的密度與粘度。當(dāng)?shù)蒯Ｖ镔|(zhì)上升到淺部時(shí)，成分巖石圈會(huì)因受到縱向擠壓而在橫向上發(fā)生形變，表現(xiàn)為地幔柱周邊的局部加厚（圖3f）。隨著大洋年齡的降低，巖石圈整體粘度會(huì)降低，其受到地幔柱擠壓后的加厚范圍則會(huì)增加，進(jìn)而導(dǎo)致淺表隆起范圍的擴(kuò)大；但由于單位時(shí)間內(nèi)上涌的地幔柱物質(zhì)有限，熱點(diǎn)隆起的平均高度也會(huì)相應(yīng)降低（圖4）。因此，年輕大洋成分巖石圈受地幔柱沖擊后的物質(zhì)再分布被認(rèn)為是導(dǎo)致超級(jí)隆起形成的關(guān)鍵因素。（類似上涌導(dǎo)致巖石圈物質(zhì)再分布的現(xiàn)象也見于Liang Liu et al., 2025, Nat Commun, 16(1), 7603. 其中，深部上涌誘發(fā)的離散流場(chǎng)會(huì)將上涌中心的巖石圈底部物質(zhì)往兩側(cè)推擠，導(dǎo)致中心處巖石圈薄于兩側(cè)，以至淺表出現(xiàn)不同程度的沉降）。
圖3. 典型熱點(diǎn)隆起（a-c）與超級(jí)隆起（e-f）的數(shù)值模擬結(jié)果
圖4.?模型呈現(xiàn)的熱點(diǎn)隆起規(guī)模與大洋年齡的相關(guān)性
?該項(xiàng)研究較好呈現(xiàn)了巖石圈的“蓋層”效應(yīng)（Lid Effects），有效地展示了熱巖石圈對(duì)地幔熔融的限制作用（圖5a-5b）。模擬結(jié)果顯示，地幔柱在上升過程中，可在地幔過渡帶、~260公里深度處及巖石圈底部發(fā)生不同程度的滯留，為解讀對(duì)應(yīng)層位存在的地震波不連續(xù)界面以及大洋巖石圈地震學(xué)LAB的本質(zhì)提供新思路（圖5c-5e）。研究還發(fā)現(xiàn)，前人對(duì)地核熱流通量的估算方法大多基于對(duì)熱點(diǎn)隆起規(guī)模的測(cè)量。然而，本研究表明，相同地幔柱體積下的熱點(diǎn)隆起規(guī)模會(huì)隨著大洋年齡的變化而變化，這意味著以往的估算可能存在較大偏差。因此，該研究為重新審視地核熱流通量的估算方法提供了依據(jù)。
圖5. 模型中地幔柱的熔融行為（a-b）、物質(zhì)運(yùn)移（c）、溫度演化（d）、縱向結(jié)構(gòu)（e）等結(jié)果的匯總
?綜上，本研究不僅為理解地幔柱導(dǎo)致的熱點(diǎn)隆起規(guī)模提供了新視角，也為探索地幔柱的深部動(dòng)力學(xué)演化過程及其淺表響應(yīng)開辟了新思路。通過綜合天然觀測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果，研究揭示了地幔柱導(dǎo)致巖石圈物質(zhì)再分布的淺表響應(yīng)形式，強(qiáng)調(diào)了大洋成分巖石圈對(duì)地幔柱上涌和地幔熔融的關(guān)鍵制約作用。研究進(jìn)一步表明，地幔柱在大洋板塊下方的活動(dòng)頻率可能高于以往認(rèn)識(shí)，且其影響范圍可能更為廣泛。
?劉亮副研究員是本文的第一作者、共同通訊作者，J.?P.?Morgan教授為本文的共同通訊作者。該項(xiàng)工作受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃—常規(guī)項(xiàng)目（2024YFF0808200）和青年科學(xué)家項(xiàng)目（2024YFF0809600）以及國家自然基金委項(xiàng)目（92058212）的聯(lián)合資助。
論文信息：Liu, L.*（劉亮），Morgan, J.P.*，Xu, Y.G.（徐義剛），Long, S.M.，De Montserrat?A.，Morgan, W. Jason，2025，Science Advances. 11(46).
全文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady1276.
